Solarheizung für ein Privathaus: Optionen und Anlagenschemata
Die Nutzung der von der Natur bereitgestellten “grünen” Energie ermöglicht es, die Betriebskosten erheblich zu senken. Wenn Sie zum Beispiel eine Solarheizung für Ihr Privathaus einrichten, versorgen Sie Niedertemperaturheizkörper und Fußbodenheizungen mit einem praktisch kostenlosen Wärmeträger. Stimmen Sie zu, das ist bereits eine Ersparnis.
Alles über “grüne Technologien” erfahren Sie in unserem Artikel. Mit unserer Hilfe werden Sie sich mühelos in den verschiedenen Solaranlagen, ihren Funktionsweisen und betrieblichen Besonderheiten zurechtfinden. Sicherlich interessieren Sie sich für eine der weltweit verbreiteten Optionen, die bei uns jedoch noch nicht so stark nachgefragt wird.
In dem von uns bereitgestellten Überblick werden die konstruktiven Merkmale der Systeme analysiert und die Anschlussschemata detailliert beschrieben. Ein Berechnungsbeispiel für den solaren Heizkreislauf hilft, die Realisierbarkeit der Anlage einzuschätzen. Zur Unterstützung von Heimwerkern sind Bildauswahlen und Videos beigefügt.
Inhalt des Artikels:
“Grüne” Technologien zur Wärmegewinnung
Im Durchschnitt erhält 1 m2 Erdoberfläche 161 Watt Sonnenenergie pro Stunde. Am Äquator ist dieser Wert natürlich um ein Vielfaches höher als im Polargebiet. Außerdem hängt die Dichte der Sonnenstrahlung von der Jahreszeit ab.
Im Moskauer Gebiet unterscheidet sich die Intensität der Sonnenstrahlung im Dezember/Januar um mehr als das Fünffache von Mai/Juli. Moderne Systeme sind jedoch so effizient, dass sie fast überall auf der Erde arbeiten können.
Die Aufgabe, Sonnenstrahlungsenergie mit maximalem Wirkungsgrad zu nutzen, wird auf zwei Wegen gelöst: direkte Erwärmung in thermischen Kollektoren und photovoltaische Solarmodule. Solarmodule wandeln zunächst die Energie der Sonnenstrahlen in Strom um und leiten ihn dann über ein spezielles System an die Verbraucher, z. B. an einen Elektrokessel.
Thermische Kollektoren erwärmen sich unter Einwirkung der Sonnenstrahlen und erhitzen den Wärmeträger der Heizungs- und Warmwassersysteme.
Es gibt verschiedene Arten von Wärmekollektoren, darunter offene und geschlossene Systeme, flache und kugelförmige Konstruktionen, halbkugelförmige Kollektoren mit Konzentrator und viele weitere Varianten. Die von Sonnenkollektoren gewonnene Wärmeenergie wird zum Erhitzen von Warmwasser oder des Wärmeträgers der Heizungsanlage genutzt.
Die Industrie stellt ein breites Sortiment an Kollektorsystemen zur Integration in ein unabhängiges Heizungsnetz her. Die einfachste Variante für das Wochenendhaus lässt sich jedoch leicht selbst herstellen:
Trotz des deutlichen Fortschritts bei der Entwicklung von Lösungen zur Sammlung, Speicherung und Nutzung von Sonnenenergie gibt es Vor- und Nachteile.
Effiziente Nutzung der Sonnenenergie
Der offensichtlichste Vorteil der Nutzung von Sonnenenergie ist ihre allgemeine Verfügbarkeit. Tatsächlich kann selbst bei trübstem und bewölktstem Wetter Sonnenenergie gesammelt und genutzt werden.
Der zweite Vorteil – die Null-Emissionen. Im Grunde ist dies die umweltfreundlichste und natürlichste Energieform. Solarmodule und Kollektoren erzeugen keinen Lärm. In den meisten Fällen werden sie auf den Dächern von Gebäuden installiert, ohne nutzbare Fläche des Grundstücks zu beanspruchen.

Die Nachteile der Nutzung von Solarenergie liegen in der Unbeständigkeit der Beleuchtung. In der Dunkelheit gibt es nichts zu sammeln, die Situation wird dadurch verschärft, dass die Spitze der Heizsaison auf die kürzesten Lichttage des Jahres fällt. Die optische Sauberkeit der Paneele muss überwacht werden, bereits geringe Verschmutzungen verringern den Wirkungsgrad drastisch.
Darüber hinaus kann man nicht sagen, dass der Betrieb einer solarbetriebenen Anlage völlig kostenlos ist; es gibt laufende Kosten für die Abschreibung der Ausrüstung, den Betrieb der Umwälzpumpe und der Steuerelektronik.

Offene Solarkollektoren
Ein offener Sonnenkollektor ist ein System von Rohren, die keinen Schutz vor äußeren Einflüssen bieten und durch die das direkt von der Sonne erhitzte Wärmeträgermedium zirkuliert.
Als Wärmeträger werden Wasser, Gas, Luft oder Frostschutzmittel verwendet. Die Rohre werden entweder als Wendel auf einer Trägerplatte befestigt oder in parallelen Reihen an den Ausgangsstutzen angeschlossen.

Offene Kollektoren haben in der Regel keine Isolierung. Die Konstruktion ist sehr einfach, daher kostengünstig und wird oft selbst gebaut.
Aufgrund der fehlenden Isolierung speichern sie die gewonnene Solarenergie kaum und haben einen niedrigen Wirkungsgrad. Sie werden hauptsächlich im Sommer zur Erwärmung von Wasser in Schwimmbecken oder Sommerduschen eingesetzt.
Sie werden in sonnigen und warmen Regionen installiert, bei geringen Temperaturunterschieden zwischen der Umgebungsluft und dem zu erwärmenden Wasser. Sie funktionieren nur bei sonnigem, windstillem Wetter gut.

Röhrenkollektor-Varianten
Röhren-Sonnenkollektoren werden aus einzelnen Röhren zusammengesetzt, in denen Wasser, Gas oder Dampf zirkuliert. Es handelt sich um eine Variante offener Solarsysteme. Allerdings ist das Wärmeträgermedium deutlich besser vor äußeren Einflüssen geschützt, insbesondere bei Vakuumanlagen, die nach dem Prinzip einer Thermoskanne aufgebaut sind.
Jede Röhre wird einzeln und parallel zu den anderen an das System angeschlossen. Fällt eine Röhre aus, kann sie leicht durch eine neue ersetzt werden. Die gesamte Konstruktion kann direkt auf dem Dach des Gebäudes montiert werden, was die Installation erheblich erleichtert.

Ein wesentlicher Vorteil von Röhren-Sonnenkollektoren liegt in der zylindrischen Form der Hauptelemente, dank der die Sonneneinstrahlung den ganzen Lichttag über ohne den Einsatz teurer Nachführsysteme erfasst wird.

Je nach Röhrenkonstruktion unterscheidet man Federrohr- und Koaxialrohr-Sonnenkollektoren.
Eine Koaxialröhre ist ein Dewar-Gefäß oder ein allseits bekannter Thermoskannenbehälter. Sie besteht aus zwei Glaskolben, zwischen denen die Luft abgesaugt ist. Auf die Innenfläche des inneren Kolbens ist eine hochselektive Beschichtung aufgetragen, die Sonnenenergie effizient absorbiert.

Die Wärmeenergie von der inneren selektiven Schicht wird an ein Wärmerohr oder einen internen Wärmetauscher aus Aluminiumplatten übertragen. In dieser Phase treten unerwünschte Wärmeverluste auf.
Eine Federrohr-Röhre besteht aus einem Glaszylinder mit einem darin eingesetzten Federabsorber.

Für eine gute Wärmedämmung wird die Luft aus der Röhre abgesaugt. Die Wärmeübertragung vom Absorber erfolgt verlustfrei, daher ist der Wirkungsgrad von Federrohr-Röhren höher.
Nach der Art der Wärmeübertragung gibt es zwei Systeme: Durchflusssysteme und solche mit Wärmerohr (Heatpipe). Ein Wärmerohr ist ein versiegelter Behälter mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit.

Im Inneren des Wärmerohrs befindet sich eine leicht verdampfende Flüssigkeit, die Wärme von der Innenwand des Kolbens oder vom Flügelabsorber aufnimmt. Unter Temperatureinfluss siedet die Flüssigkeit und steigt als Dampf nach oben. Nachdem die Wärme an das Heizmedium der Heizung oder Warmwasserbereitung abgegeben wurde, kondensiert der Dampf zu Flüssigkeit und fließt nach unten.
Als leicht verdampfende Flüssigkeit wird häufig Wasser unter niedrigem Druck verwendet. Im Durchflusssystem wird ein U-förmiges Rohr verwendet, durch das Wasser oder das Heizmedium der Heizungsanlage zirkuliert.
Eine Hälfte des U-förmigen Rohres ist für das kalte Heizmedium vorgesehen, die zweite leitet das erhitzte ab. Bei Erwärmung dehnt sich das Heizmedium aus und gelangt in den Speicherbehälter, was eine natürliche Zirkulation ermöglicht. Wie bei den Systemen mit Wärmerohr muss der minimale Neigungswinkel mindestens 20° betragen.

Durchflusssysteme sind effizienter, da sie das Heizmedium sofort erwärmen. Wenn Sonnenkollektorsysteme ganzjährig genutzt werden sollen, werden spezielle Frostschutzmittel eingefüllt.
Die Verwendung von Röhren-Sonnenkollektoren hat eine Reihe von Vor- und Nachteilen. Die Konstruktion eines Röhren-Sonnenkollektors besteht aus gleichen Elementen, die relativ einfach ausgetauscht werden können.
Vorteile:
- geringe Wärmeverluste;
- Fähigkeit, bei Temperaturen bis -30°C zu arbeiten;
- effiziente Leistung während des gesamten Tageslichts;
- gute Funktionsfähigkeit in Regionen mit gemäßigtem und kaltem Klima;
- geringe Windanfälligkeit, begründet durch die Fähigkeit von Röhrensystemen, Luftmassen durch sich hindurchzulassen;
- Möglichkeit zur Erzeugung einer hohen Temperatur des Heizmediums.
Konstruktionsbedingt hat die Röhrenkonstruktion eine begrenzte Aperturfläche.
Sie hat folgende Nachteile:
- nicht zur Selbstreinigung von Schnee, Eis, Reif fähig;
- hohe Kosten.
Trotz der anfänglich hohen Kosten amortisieren sich Röhrenkollektoren schneller. Sie haben eine lange Lebensdauer.

Flache geschlossene Systeme
Ein Flachkollektor besteht aus einem Aluminiumrahmen, einer speziellen absorbierenden Schicht – dem Absorber, einer transparenten Abdeckung, einer Rohrleitung und einer Isolierung.
Als Absorber wird geschwärztes Kupferblech verwendet, das sich durch eine für den Bau von Solaranlagen ideale Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Bei der Aufnahme von Sonnenenergie durch den Absorber wird die gewonnene Sonnenenergie an das Wärmeträgermedium übertragen, das durch das angrenzende Rohrsystem zirkuliert.
Die Außenseite des geschlossenen Paneels ist mit einer transparenten Abdeckung geschützt. Diese besteht aus schlagfestem, gehärtetem Glas mit einem Durchlassbereich von 0,4–1,8 µm. Auf diesen Bereich entfällt der Großteil der Sonneneinstrahlung. Das schlagfeste Glas bietet einen guten Schutz gegen Hagel. Die Rückseite des gesamten Paneels ist zuverlässig isoliert.

Zu den Vorteilen der geschlossenen Flachkollektoren gehören:
- Einfache Konstruktion;
- Gute Leistung in Regionen mit warmem Klima;
- Möglichkeit der Installation in jedem Winkel, sofern Vorrichtungen zur Neigungsänderung vorhanden sind;
- Fähigkeit zur Selbstreinigung von Schnee und Reif;
- Niedriger Preis.
Flachkollektoren sind besonders vorteilhaft, wenn ihr Einsatz bereits in der Planungsphase vorgesehen ist. Die Lebensdauer hochwertiger Produkte beträgt 50 Jahre.
Zu den Nachteilen zählen:
- Hohe Wärmeverluste;
- Hohes Gewicht;
- Hohe Windanfälligkeit bei schräger Montage der Paneele;
- Leistungseinschränkungen bei Temperaturunterschieden von mehr als 40 °C.
Der Anwendungsbereich geschlossener Kollektoren ist deutlich größer als der von offenen Solaranlagen. Im Sommer können sie den Warmwasserbedarf vollständig decken. An kühlen Tagen, die von den Versorgungsunternehmen nicht in die Heizperiode eingerechnet werden, können sie anstelle von Gas- und Elektroheizungen eingesetzt werden.
Interessierten, die einen Solarkollektor selbst bauen möchten, um die Heizung im Gartenhaus einzurichten, empfehlen wir, sich mit praxisbewährten Schaltplänen und Schritt-für-Schritt-Bauanleitungen vertraut zu machen.
Vergleich der Eigenschaften von Solarkollektoren
Der wichtigste Parameter eines Sonnenkollektors ist der Wirkungsgrad. Die nutzbare Leistung verschiedener Kollektorbauarten hängt von der Temperaturdifferenz ab. Dabei sind Flachkollektoren deutlich günstiger als Röhrenkollektoren.

Bei der Auswahl eines Sonnenkollektors sollte man auf eine Reihe von Parametern achten, die die Effizienz und Leistung des Geräts anzeigen.
Für Sonnenkollektoren gibt es einige wichtige Merkmale:
- Absorptionskoeffizient – gibt das Verhältnis der absorbierten Energie zur Gesamtenergie an;
- Emissionskoeffizient – zeigt das Verhältnis der übertragenen Energie zur absorbierten Energie an;
- Gesamt- und Aperturfläche;
- Wirkungsgrad.
Die Aperturfläche ist die Arbeitsfläche eines Sonnenkollektors. Bei einem Flachkollektor ist die Aperturfläche maximal. Die Aperturfläche entspricht der Fläche des Absorbers.
Anschlussmöglichkeiten an das Heizsystem
Da solare Energiesysteme keine stabile und kontinuierliche Energieversorgung gewährleisten können, ist ein System erforderlich, das diese Mängel ausgleicht.
In der mittleren Zone Russlands können Solaranlagen keine stabile Energiezufuhr gewährleisten, daher werden sie als Zusatzsystem eingesetzt. Die Integration in ein bestehendes Heizungs- und Warmwassersystem unterscheidet sich für Sonnenkollektoren und Solarpaneele.
Schema mit Wasserkollektor
Je nach Einsatzzweck des Wärmekollektors werden unterschiedliche Anschlusssysteme verwendet. Es gibt mehrere Möglichkeiten:
- Sommeroption für die Warmwasserbereitung
- Winteroption für Heizung und Warmwasserbereitung
Die Sommer-Variante ist die einfachste und kann sogar ohne Umwälzpumpe auskommen, indem sie die natürliche Wasserzirkulation nutzt.
Das Wasser wird im Sonnenkollektor erhitzt und gelangt durch die Wärmeausdehnung in den Speichertank oder Boiler. Dabei entsteht eine natürliche Zirkulation: Anstelle des heißen Wassers wird kaltes Wasser aus dem Tank angesaugt.

Wie jedes System, das auf natürlicher Zirkulation basiert, arbeitet es nicht sehr effizient und erfordert die Einhaltung bestimmter Gefälle. Außerdem muss der Speichertank höher als der Sonnenkollektor sein. Damit das Wasser möglichst lange heiß bleibt, muss der Tank gut isoliert werden.
Wenn Sie wirklich eine maximal effiziente Arbeitsweise des Sonnenkollektors erreichen möchten, wird sich das Anschlussschema verkomplizieren.

In der Sonnenkollektoranlage zirkuliert ein frostsicheres Wärmeträgermedium. Die Zwangsumwälzung wird von einer Pumpe gesteuert, die von einem Regler kontrolliert wird.
Der Regler steuert die Arbeit der Umwälzpumpe auf der Grundlage der Messwerte von mindestens zwei Temperatursensoren. Der erste Sensor misst die Temperatur im Speichertank, der zweite – an der Zuleitung des heißen Wärmeträgermediums des Sonnenkollektors.
Sobald die Temperatur im Tank die Temperatur des Wärmeträgers übersteigt, schaltet der Regler im Kollektor die Umwälzpumpe ab und stoppt die Zirkulation des Wärmeträgers im System. Wenn die Temperatur im Speichertank unter den eingestellten Wert sinkt, wird wiederum der Heizkessel eingeschaltet.
Eine neue und effiziente Alternative zu Solarkollektoren mit Wärmeträger sind Systeme mit Vakuumröhren, deren Funktionsprinzip und Aufbau wir vorstellen möchten.
Schema mit Solarbatterie
Es wäre verlockend, eine ähnliche Anschlussanordnung für Solarmodule an das Stromnetz zu verwenden, wie sie bei Solarkollektoren realisiert ist, um die tagsüber aufgenommene Energie zu speichern. Leider ist es für die Stromversorgung eines Privathauses sehr teuer, einen Akkublock mit ausreichender Kapazität zu erstellen. Daher sieht die Anschlussanordnung wie folgt aus.

Von den Solarmodulen gelangt die Ladung zum Laderegler, der mehrere Funktionen ausführt: er sorgt für eine konstante Nachladung der Akkus und stabilisiert die Spannung. Anschließend gelangt der elektrische Strom zum Wechselrichter, wo die Umwandlung von Gleichstrom (12V oder 24V) in einphasigen Wechselstrom (220V) erfolgt.
Leider sind unsere Stromnetze nicht für die Energieaufnahme ausgelegt; sie können nur in einer Richtung von der Quelle zum Verbraucher arbeiten. Aus diesem Grund können Sie den erzeugten Strom nicht verkaufen oder den Zähler zumindest in die entgegengesetzte Richtung drehen lassen.
Die Nutzung von Solarpanels ist vorteilhaft, da sie eine universellere Energieform bereitstellen, aber hinsichtlich der Effizienz nicht mit Sonnenkollektoren mithalten können. Letztere haben jedoch nicht die Möglichkeit, Energie zu speichern, im Gegensatz zu Solar-Photovoltaik-Modulen.
Beispiel zur Berechnung der erforderlichen Leistung
Bei der Berechnung der erforderlichen Leistung eines Sonnenkollektors wird sehr oft fälschlicherweise von der einfallenden Sonnenenergie in den kältesten Monaten des Jahres ausgegangen.
Die Sache ist die, dass das gesamte System in den übrigen Monaten des Jahres ständig überhitzt wird. Die Temperatur des Wärmeträgers kann im Sommer am Ausgang des Sonnenkollektors beim Erhitzen von Dampf oder Gas 200 °C, von Frostschutzmittel 120 °C und von Wasser 150 °C erreichen. Wenn das Kühlmittel siedet, verdampft es teilweise. In der Folge muss es ausgetauscht werden.
Die Hersteller empfehlen, von folgenden Zahlen auszugehen:
- Deckung des Warmwasserbedarfs nicht mehr als 70 %;
- Deckung des Heizungssystems nicht mehr als 30 %.
Die verbleibende erforderliche Wärme muss durch die Standardheizungsanlage erzeugt werden. Dennoch spart man bei diesen Kennzahlen jährlich durchschnittlich etwa 40 % an Heizung und Warmwasser.
Die von einer Röhre eines Vakuumsystems erzeugte Leistung hängt vom geografischen Standort ab. Der Wert der jährlich auf 1 m² Boden einfallenden Sonnenenergie wird als Einstrahlung bezeichnet.
Wenn man die Länge und den Durchmesser der Röhre kennt, kann man die Apertur – die effektive Absorptionsfläche – berechnen. Es bleibt, die Absorptions- und Emissionskoeffizienten anzuwenden, um die Leistung einer Röhre pro Jahr zu berechnen.
Berechnungsbeispiel:
Die Standardlänge der Röhre beträgt 1800 mm, die effektive Länge 1600 mm. Der Durchmesser beträgt 58 mm. Die Apertur ist der von der Röhre erzeugte Schattenbereich. Somit beträgt die Fläche des Schattenrechtecks:
S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m2
Der Wirkungsgrad einer durchschnittlichen Röhre beträgt 80 %, die Sonneneinstrahlung für Moskau beträgt etwa 1170 kWh/m² pro Jahr. Somit erzeugt eine Röhre pro Jahr:
W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh
Es ist zu beachten, dass dies eine sehr grobe Berechnung ist. Die produzierte Energiemenge hängt von der Ausrichtung der Anlage, dem Neigungswinkel, der Jahresdurchschnittstemperatur usw. ab.
Mit allen Arten von alternativen Energiequellen und deren Nutzungsmöglichkeiten können Sie sich in dem vorgestellten Artikel vertraut machen.
Fazit und nützliche Videos zum Thema
Video #1. Demonstration der Funktionsweise eines Sonnenkollektors im Winter:
Video #2. Vergleich verschiedener Modelle von Sonnenkollektoren:
Während seiner gesamten Existenz verbraucht die Menschheit jedes Jahr mehr Energie. Versuche, die kostenlose Sonnenstrahlung zu nutzen, wurden schon lange unternommen, aber erst in letzter Zeit ist es möglich geworden, die Sonne in unseren Breiten effektiv zu nutzen. Zweifellos gehört die Zukunft den Solarenergiesystemen.
Möchten Sie über interessante Besonderheiten bei der Organisation einer Solarheizung für ein Landhaus oder eine Datscha berichten? Bitte schreiben Sie Kommentare in den unten stehenden Block. Hier können Sie auch eine Frage stellen, ein Foto mit der Demonstration des Montageprozesses des Systems hinterlassen und nützliche Informationen teilen.


In letzter Zeit denke ich darüber nach, zu Hause Solarzellen zu installieren. Erstens aus Kostengründen, da ich von den Rechnungen für Gas und Strom geschockt bin, besonders im Winter. Zweitens sollte man auch an die Umwelt denken. Im Artikel steht alles schön geschrieben, aber das ist für diejenigen, die sich zumindest ein wenig mit technischen Fragen auskennen. Wir sind absolute Anfänger. Erklären Sie es mir in einfachen Worten. Wir haben ein zweistöckiges Haus, jede Etage mit 120 Quadratmetern. Wir leben in Baschkirien, wo es wenig Sonnentage gibt und im Winter immer bewölkt ist. Welche Paneele brauchen wir eigentlich und wie viel wird das kosten? Wann amortisieren sie sich? Und werden uns die Solarmodule im Winter retten? Schließlich verbrauchen wir viel Gas und Strom gerade im Winter, aber im Sommer brauchen wir sie scheinbar nicht. Vielleicht lohnt es sich also nicht, sich damit zu befassen, sondern weiterhin horrende Summen für Gas und Strom zu zahlen?
In erster Linie, Swetlana, dämmen Sie Ihr Haus, machen Sie es zu einer Art Thermoskanne. Sorgen Sie also für eine Wärmedämmung von Wänden, Fenstern und Dachsystem. Erst danach denken Sie über eine Alternative zu Gas und Strom nach.
Ich bin nicht bereit, auf Solarheizung umzusteigen. Das ist nur für diejenigen geeignet, die in warmen Regionen leben, wo das ganze Jahr über Sommer ist und die Nächte warm sind. In der russischen Mittelzone bringen Solarzellen wenig Nutzen. Man könnte höchstens die normale Heizung im Winter und die Nutzung von Sonnenenergie im Sommer kombinieren. Dann ergibt sich eine gewisse Einsparung bei den Nebenkosten, aber der Effekt ist dennoch nur teilweise; man kann ein Haus nicht vollständig mit Sonnenenergie beheizen.
Könnten Sie bitte Ihre Kontaktdaten (Stadt, Dorf) angeben? Ich habe eine ähnliche Situation und eine Frage..
Und ich bin bereit, auf eine kombinierte Heizung umzusteigen. In diesem Artikel werden die allgemeinen Prinzipien des Baus von Solarheizsystemen und Hybridsystemen erläutert. Man kann auch Windenergie nutzen, um den Wärmespeichertank zusätzlich zu erwärmen. Der Wärmespeichertank ist ein sehr leistungsfähiger Speicher für Wärmeenergie; kein elektrischer Akku kommt von der gespeicherten Energiemenge her mit. Und um ihn von der gespeicherten Energie zu entleeren, ist es sinnvoll, eine Wärmepumpe einzusetzen.
Sie haben recht, Grigori. Die kombinierte Heizung – das ist die ideale Lösung. Wir nutzen Sonnenkollektoren und einen Gaskessel, und so können wir ordentlich sparen.